熱水供熱系統(tǒng)的水錘計(jì)算

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1、熱水供熱系統(tǒng)的水錘計(jì)算摘要　熱水供熱系統(tǒng)發(fā)生水錘是集中供熱發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)的實(shí)際問題，一旦發(fā)生，破壞力大，會(huì)導(dǎo)致財(cái)、物的重大損失，甚至危及人身安全．本文敘述了熱水供熱系統(tǒng)水錘的概念，建立了基本方程組，處理了常見的各種復(fù)雜邊界條件，考慮了出現(xiàn)蒸汽穴的影響．所編制的軟件對(duì)實(shí)例的運(yùn)行結(jié)果表明：物理上看合理、正確，計(jì)算結(jié)果與某國(guó)咨詢公司計(jì)算結(jié)果吻合較好．一、水錘的概念　　　　當(dāng)壓力管道中的流體因某些原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時(shí)，由于流體的慣性作用而引起管道的流體壓力急劇變化，這種現(xiàn)象作為水錘現(xiàn)象或流體瞬變過程．　　水錘是管道瞬變流動(dòng)中的一種壓力波．下面以圖1所示的簡(jiǎn)單的供熱系統(tǒng)模型為

2、例來說明水錘波的形成機(jī)理及其傳播、反射和疊加過程．為便于分析，假設(shè)循環(huán)水泵a產(chǎn)生的壓頭與流量無關(guān)，水泵的吸入端和壓出端連接膨脹水箱e和f，使管網(wǎng)在任何水力工況下，水泵吸入端6和壓出端1的總壓頭都保持固定不變。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1　熱水供熱網(wǎng)模型圖　　　　　　　　　　　　　a--循環(huán)水泵；b--止回閥；c--干線供水管上的調(diào)節(jié)閥；　　　　　　　　　　　　　　　　d--熱用戶；e--膨脹水箱；f--膨脹水箱　　　　當(dāng)閥C全開、供熱系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)．管中流速為VQ，倘若由于某種原因，閥C突然瞬間關(guān)閉，則點(diǎn)3流速突然滯止為零，點(diǎn)2

3、出現(xiàn)突然壓力升高，從而使此部分流體的密度增大、流體壓縮和管道膨脹；點(diǎn)3出現(xiàn)突然的壓力降低，使這部分流體的密度減小、流體膨脹和管壁壓縮．閥門C前后的壓力以彈性波的形式由閥門C迅速傳向全部熱水網(wǎng)管道?！　‘?dāng)快速關(guān)閉閥門C時(shí)，上游管道中的后續(xù)流體仍以原來流速+V0繼續(xù)向閥門C方向運(yùn)動(dòng)，與首先停留的流體相毗鄰的流體一起填充了前一部分流體壓縮和管壁膨脹而擴(kuò)大了的容積之后，其流速也相繼從+V0驟降為零，隨即產(chǎn)生升壓，流體壓縮和管壁膨脹．這樣依次由閥門C向循環(huán)水泵a延伸．當(dāng)這種升壓運(yùn)動(dòng)傳播到假設(shè)壓力恒定點(diǎn)1時(shí)，1一2管道中的全部流體速度都變?yōu)榱悖谶@一瞬間，管道中流體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為流

4、體的彈性壓縮能和管壁的變形能，1-2管在正壓力作用下呈現(xiàn)膨脹狀態(tài)?！　‘?dāng)水錘波達(dá)到點(diǎn)1時(shí)，由于點(diǎn)1壓力不變，所以在壓力波達(dá)到的瞬間，點(diǎn)1處于一種不平衡狀態(tài)。點(diǎn)1處流體密度首先恢復(fù)到原來狀態(tài)，升壓隨即消失。由這一瞬間開始，壓力波向反方向運(yùn)動(dòng)，管段1-2中流體產(chǎn)生與原來相反的流動(dòng)，這種降壓以同樣的傳播速度向閥門C處傳播，當(dāng)其返回閥門C處時(shí)，管道1-2中的壓力全部為H1，即與點(diǎn)1的壓力相等?！　∮捎诠艿?-2中流體向循環(huán)水泵a流動(dòng)，而閥門處于完全關(guān)閥狀態(tài)，無流體補(bǔ)充以維持這種流動(dòng)，從而引起該處壓力下降，流體密度減小和管壁的收縮，這種降壓運(yùn)動(dòng)又以同樣傳播速度向a處傳播。當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)1

5、時(shí)，管道中的流速都變?yōu)榱?。在這一瞬間，管道中全部流體的動(dòng)能變?yōu)榱黧w的彈性膨脹能和管壁的收縮變形能，管道中壓力降低。管道1-2呈收縮狀態(tài)?！　‰m然管道1-2中流體壓力降低，但由于點(diǎn)1的水頭高于管道1-2中的壓力，于是使點(diǎn)1處的流體產(chǎn)生向閥門C的流動(dòng)，管道1-2中的壓力開始升高，這種壓力波以同要的速度向閥門C處傳播，當(dāng)傳播到閥門C處后，壓力回升到穩(wěn)定值H1。管道1-2呈收縮狀態(tài)?！　∮捎谀ゲ烈约傲黧w和管壁的非完全彈性等作用，使振蕩發(fā)生阻尼，壓力波逐漸衰減，從而最終使流動(dòng)消失?！　≡陂y門C的另一例，點(diǎn)3將出現(xiàn)類似情景。但開始時(shí)是減壓波向閥門C下游管道傳播，液體汽化現(xiàn)象稱為氣穴或

6、空穴。由于氣穴處是氣體而不是液體．而破壞水流的連續(xù)性．發(fā)生這種邊界條件變化，通常會(huì)使上游的液柱加速而下游液柱減速，從而使上游的液柱趕上下游的波柱，導(dǎo)致氣泡破裂、潰滅，或者當(dāng)氣穴中的氣體被帶到下游壓強(qiáng)較大的區(qū)域時(shí)，發(fā)主氣穴的條件消失，也發(fā)生空泡的潰滅．在空泡潰滅的過程中，空泡潰滅水錘極大，可以大到足以破壞管子。　　在管道中發(fā)生水錘現(xiàn)象后，任何一點(diǎn)的流速和壓力不僅與該點(diǎn)的位置有關(guān)，而且與時(shí)間有關(guān)，因而是非穩(wěn)定流．在水錘現(xiàn)象發(fā)生的過程中，由于液體受到巨大壓強(qiáng)的作用，在計(jì)算中必須考慮液體的壓縮性和管壁的彈性變形，否則，將會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際不符合的結(jié)果?！　《⒒痉匠獭　　　崴峋W(wǎng)

7、的水力瞬變可以用下面的一些對(duì)擬線性雙曲編微方程描述：　　　　　　　　　　　　　　　?。?）　　連續(xù)方程：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）　　式中：H--測(cè)壓管水頭（mH2O）t--時(shí)間，（S）　　　　　a--水錘波傳播速度，（m/s）；g--重力加速度，（m/s2）　　　　　A--管道橫截面積，（m2）；Q--管道流量，（m3/s）　　　　　x---計(jì)算點(diǎn)距起始點(diǎn)的坐標(biāo)蹁，（m）f-管道沿程磨擦阻力系數(shù)；　　　　　D--管內(nèi)徑，（m）　　應(yīng)用特征線解法可以將方程（1）和方程（2）變換成四個(gè)常微方程：